万有引力 · 力学之王
一个在瘟疫中闭关的少年,用三年时间发现了支配整个宇宙的运动规律。让我们一起走进这位最伟大科学家的思考世界。
艾萨克·牛顿出生在英格兰林肯郡的一个小村庄。他出生时是一个早产儿,身体非常弱小,医生说他活不过三天。但他的母亲坚持用滴管一点点喂他牛奶,把他奇迹般地养活了。他出生那天,恰好是公历新年的前夜,也是著名的科学家伽利略去世的日子。
牛顿三岁时,父亲去世了。此后他便由外祖父母抚养长大。后来母亲改嫁,牛顿被留在了外祖父母家。他从小性格孤僻内向,不太善于与人交往,但头脑非常敏锐。
牛顿12岁时,母亲改嫁的丈夫去世了,他便回到母亲身边。但母亲希望他做一个农民,于是把他送到了乡村学校。牛顿不太喜欢农活,他对书本和手工制作的热爱始终没有改变。
在舅舅的劝说下,牛顿的母亲终于同意让他上学。19岁的牛顿进入了世界闻名的剑桥大学三一学院。他不是一个成绩最好的学生,但他是那个最能思考、最有创造力的学生。
剑桥爆发了可怕的鼠疫,学校被迫关闭。23岁的牛顿回到家乡格兰索普,独自在家闭门苦思。在之后的两年里,他连续做出了划时代的发现:微积分、光学、万有引力和力学三大定律。这段孤独的岁月,改变了整个人类历史。
在格兰索普的苹果园里,牛顿看到了一个苹果从树上落下来。他开始想:为什么苹果总是垂直落下,而不是斜着飞走?为什么它不飞向天空?这个简单的问题引导他发现了万有引力定律。据说他在花园里一直坐在那里思考了很久很久。
瘟疫退去后,牛顿回到剑桥,接替导师的位置成为数学教授。年仅26岁的他已经是学术界的重要人物。他继续研究光学,制造了一面反射望远镜,并用棱镜证明了白光由七色光组成。
牛顿历时二十年写的巨著《自然哲学的数学原理》终于出版。这本书被誉为"历史上最重要的科学著作之一",提出了万有引力定律和运动三定律,为整个经典力学奠定了基石。从此,人类可以用数学公式来描述物体的运动了。
牛顿被选为英国皇家学会的会长,并连任长达24年。他还是铸币厂的厂长,负责打击伪造货币。晚年的牛顿成为了英国最受尊敬的人物之一,1705年被女王封为爵士。
牛顿在伦敦的家中安然离世,享年84岁。他的葬礼享有国葬待遇,被安葬在威斯敏斯特教堂——这是英国最高的荣誉。伏尔泰当时在伦敦参加了葬礼,他震惊地说:"这是一个比任何君主都更伟大的人。"
一切物体在没有受到外力作用时,总保持静止或匀速直线运动。这就是惯性——物体保持原有运动状态的"倔强"本性。想想你坐在公交车上,车子突然刹车,你的身体会向前倾,这就是惯性的力量。
力等于质量乘以加速度。这个公式告诉我们:推动一个重的东西比轻的东西需要更大的力,而想让东西加速更快也需要更大的力。这就是为什么推一辆空车很容易,但推一辆装满货物的车就很吃力。
每一个作用力都有一个大小相等、方向相反的反作用力。当你游泳时手向后划水,水给你向前的推力;火箭喷出火焰向下,火焰给火箭向上的推力。力从来不会单独出现,它们总是成对出现的。
宇宙中任何两个物体之间都存在相互吸引的力,这个力与它们的质量成正比,与距离的平方成反比。这就是为什么苹果会落向地面而不是飞向天空——地球的质量太大,它的引力把苹果拉向了地面。有趣的是,月球也在不断地"下落"向地球,只是速度够快才没有撞上来。
1666年的一个下午,年轻的牛顿坐在自家花园里躲避瘟疫。他看到一颗苹果从树上落下,直直地坠向地面。这似乎是一件平常的事,但牛顿没有像普通人那样忽略它。他开始问自己:为什么苹果总是垂直落向地面?为什么它不向侧面或者向上飞?是什么力量在拉着它?
牛顿的脑子转得飞快。他想到:如果这个力把苹果拉向地面,那它是不是也能把月亮拉向地球呢?苹果离地面只有几米高,而月亮离我们有38万公里远。如果同一个力在起作用,那在那么远的地方,这个力应该弱得多。他开始计算这个力随距离变化的规律。
牛顿经过复杂的数学计算发现:如果把距离变成原来的两倍,力就变成了原来的四分之一;距离变成三倍,力就变成九分之一。这就是"平方反比"关系——引力随距离的平方而减小。这个发现太重要了,它解释了为什么天体能够按照固定的轨道运行。
牛顿进一步想到:不只是地球有引力,宇宙中任何一个物体都有引力!太阳有引力,月亮有引力,甚至你和身边每个人之间也有微弱的引力。只不过因为地球质量太大,所以它的引力最明显。正是太阳的引力让地球绕着它转,正是地球的引力让月亮绕着地球转。
从一颗苹果落地,牛顿推导出了支配整个宇宙的万有引力定律。这个发现如此深远,它不仅解释了地球上物体的运动,还完美地解释了行星的轨道、潮汐的涨落、彗星的轨迹。从此以后,人类第一次有了可以精确预测天体运行的理论。牛顿的苹果,成为了科学史上最著名的果实。
如果我看得比别人更远,那是因为我站在巨人的肩膀上。
我不知道世上的人怎么看我,但我自己觉得,我不过像一个在海边玩耍的孩子,偶尔捡到几颗光滑的鹅卵石,而对面前那片浩瀚的真理海洋仍一无所知。
自然和自然律隐没在黑暗中;神说,让牛顿去吧!于是万物光明。
我不设立假说。凡不能从现象中推导出来的任何东西,都应被视为假说。
如果我有一个小时拯救世界,我会用55分钟来定义问题,只用5分钟来解决它。
无论是谁,无论什么职位,只要他认真做事,都能做出伟大的事业。
牛顿的前辈们——伽利略、开普勒、第谷——为他的发现奠定了基础。伽利略研究了物体的运动,开普勒描述了行星如何运动。牛顿的伟大之处不仅在于他的发现,更在于他能够站在前人的研究成果之上,把它们统一成一个完整的理论体系。你认为学习新知识时,"站在巨人肩膀上"意味着什么?
如果没有那场大瘟疫,牛顿可能照常上课、完成学业,但他未必能在这段孤独的两年里做出那么多开创性的发现。有时候,困境反而能让人集中注意力,发挥出最大的潜力。你觉得逆境对学习有帮助吗?为什么?
很多人小时候都听过这个故事,但大部分人看到苹果落地并不会多想。牛顿和普通人的区别在哪里?是他善于提问,还是因为他有足够的知识基础来理解问题的意义?你觉得在日常生活和学习中,怎样培养"牛顿式"的好奇心?
牛顿从来没有"看到"过力,他只能通过物体的运动来推断力的存在。比如他看到苹果落地,就推断地球对苹果有引力。科学中有很多东西是看不见摸不着的,但我们可以用逻辑和数学来认识它们。你能想到还有哪些看不见的力或概念吗?
从造房子到发射火箭,从踢足球到研究心脏跳动,牛顿的三大定律无处不在。如果没有这些定律,我们无法建造高楼大厦,无法设计汽车安全带,也无法让航天器飞往火星。科学的伟大之处就在于,它不仅能解释世界,还能帮助我们改造世界。
牛顿一生未婚,几乎没有社交活动,整天埋头思考和工作。有人说他性格孤僻,但也有人说他只是把全部精力都放在了思考上。你认为一个伟大的科学家需要具备什么样的性格特点?沉默寡言一定是缺点吗?